《机电一体化专业毕业设计》

课题名称        交通灯控制系统的设计                        

院、 系          电气工程学院

学生姓名           向

专   业           机电一体化

班   级           机电1209

指导老师           张                      

评阅老师                                

XX年xx月xx日

毕业设计（论文）任务书

题目： 交通灯控制系统的设计

任务与要求：

1.设计任务

1）绘制交通灯控制系统框图，确定设计方案。

2）了解电路所需芯片的功能、参数和工作原理。

3）采用软件完成编译、仿真、下载。

4）完成交通灯控制系统的硬件设计方案。

5）调试并实现交通灯控制系统的功能。

2.要求：

1) 用二极管显示红、绿、黄灯；

2）用数码管显示十字路口两个方向的剩余时间；

3）用单片机的定时器产生秒信号，控制十字路口的红绿黄灯交替点亮和熄灭；

4）用按键设置两个方向的通行时间（绿灯点亮时间）和暂缓黄灯通行时间（黄灯点亮的时间）。                                                   

毕业设计(论文)进度计划表

日 期 工 作 内 容 执 行 情 况 指导教师

签    字

10月14号-10月15号 查阅资料 确定设计方案 完成 

10月16号-10月19号 硬件电路图设计 完成 

10月20号-10月23号 编写软件 完成 

10月24号-10月26号 软硬件整体调试 完成 

10月27-10月30号 完成论文初稿 完成 

11月1号-11月3号 论文定稿，总结答辩 完成 

指导教师对进度计划实施情况总评                                                   签名：              

年   月   日 

摘 要

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。

十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。本系统采用mcs-51系列单片机at89c51为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过8051芯片的p3口设置红、绿灯燃亮时间的功能；红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过p1口输出，显示时间通过p0口输出至双位数码管）。本系统设计周期短、可靠性高、实用性强、操作简单、维护方便、扩展功能强。

关键词： 交通灯；单片机;mcs-51

abstract

in recent years, with the rapid development of science and technology, the application of  scm is going deep, driving the traditional detection techniques to renew day by day. in the real-time examination and in the automatic control monolithic integrated circuit application system, the monolithic integrated circuit often took a core part uses. the monolithic integrated circuit aspect knowledge is only insufficient, but should also act according to the concrete hardware architecture software and hardware union, to be improved.

the intersection vehicles shuttle, the pedestrian is bustling, car dealership traffic lane, person sidewalk, methodical. then depending on what to realizes this orderly order?  the traffic lights on the automatic control system. there are great number kinds of modes to control the traffic lights. the system uses a series of mcs-51 as the center at89c51 single-chip device designed to control the traffic lights, so as to realize the function of setting red, green light time by 8051 chip’s p3 port according to the actual traffic flows, lighting the red-light and green-light by turn and lighting the yellow-light to warm while 5 secondsleft(outputting the traffic light signal by p1,outpuing the time by p0 and showing the time on double-digits nixie tube). short of the design cycle, high reliability, practical, simple operation, easy maintenance, the expansion of powerful is this system.

key words : scm mcu; traffic light；mcs-51

目   录

毕业设计任务书 i

毕业设计进度计划表 ii

摘 要 iii

第一章  绪论 1

1.1课题研究背景与意义 1

1.2论文研究内容及结构安排 1

第2章  系统总体方案 3

2.1总体方案设计 3

2.2软硬件平台介绍 4    

第3章  系统设计与仿真 10

3.1显示部分电路模块设计 10

3.2时钟部分电路模块设计 10

3.3按键模块设计 11

第4章  总结 12

致  谢 13

参考文献 14

【附录1】 i 15

【附录2】 ii 16

第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义.

1.1.1背景：

随着工业化水平与经济的提高，交通问题成为我国社会主义发展的重大问题，交通事故也在我们身边出现的次数越来越多，而城市道路交通问题的核心就是对十字交叉路口交通信号的控制。

1.1.2意义：

人们对十字路口交通信号的控制方法大致有如下两种方式：其一是建立城市交通流的数学模型，提出优化算法，二是根据模糊控制的方法，根据十字路口交通的车辆数确定某一相位的绿灯初始时间和绿灯延长时间，对交通灯的控制实现了一定的模糊化。因此，结合我国城市道路交通的实际情况，开发出真正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统是当前的主要任务，以最大限度地减少了十字路口的车辆平均延误时间，提高了路口通行能力，从而达到缓解交通拥挤的目的。因此，有许多设计上作者为改善城市交通环境设计了许多方案，而大多数都为交通指挥灯，本电路也正是基于前人设计的基础上进行改进的。由于交通的各种矛盾的不断出现，人们总是尽可能的把各个历史阶段当时最新科技成果应用到交通控制系统中来，从而促进了交通控制技术的不断发展。

1.2论文研究内容及结构安排

1.2.1研究内容

1.由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口，为确保车 辆安。全、迅速地通行，在交叉路口的每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯。红灯亮静止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则给行使中的车辆有时间停靠到禁行线外。按下列7点要求设计一交通灯控制系统：

（1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯，用传感器或用逻辑开关代替传感器作检测车辆是否到来或是否闯红灯的信号。

（2）由于主干道车辆较多而支干道车辆较少，所以主干道处于常允许通行状态，而支干道有车来时才允许通行。当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯。而支干道亮绿灯时，主干道亮红灯。

（3）当主、支干道都有车时，两者交替允许通行，主干道每次放行24秒，支干道每次放行20秒。

（4）分析目前交通路口的基本控制技术以及各种通行方案，并以此为基础提出自己的交通控制的初步方案。

（5）确定系统交通控制的总体设计，包括，十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能，在这里，本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能，还增加了倒计时显示提示，基于实际情况，又要求了对车流量检测及自调整模拟功能，违规检测及处理，紧急状况处理和键盘可设置等强大功能。

（6）进行智能传感器的硬件电路、显示电路等的设计和对各器件的选择及连接，大体分配各个器件及模块的基本功能要求。 

（7）进行软件系统的设计，对于本系统，本人采用单片机汇编语言编写，对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，了解定时器，中断以及延时原理，总体上完成了软件的编写。

（8）主要以at89c51单片机为核心，以控制红、绿、黄、灯按时间的依次变换，并有倒读秒功能，每一种灯亮的时间都用数码管显示器进行显示。但因考虑到闯红灯电子照相的情况，设置逻辑开关

（9）由时钟信号发生器、计数器、译码显示器、信号灯译码驱动电路几部分成来实现交通组信号灯的自动控制。

1.2.2 结构安排

（1）对总体方案设计的一个分析，包括十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能，本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能，还增加了倒计时显示，基于实际情况，又有违规检测及拍照处理功能。

（2）还需要采用计数器，译码器，数码管测试。将测试节点1的跳冒连接，断开计数器1与计数器2的连接，使得只有低位计数，观察到数码管的数字依次从9到0再循环，说明低位计数器、译码芯片及其数码管连接无误，测试通过。用函数信号发生器给计数器2的cp端测试高位计数器、译码器和数码管是否正常。

第2章 系统的方案设计

2.1  总体方案设计

东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间[5s]。设东西道比南北道的车流量大，指示灯燃亮的方案见表

表2-1交通灯显示状态

（1）当东西方向为红灯，此道车辆和行人禁止通行；南北道为绿灯，此道车辆和行人通过。时间为60秒。

（2）黄灯闪烁5秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。

（3）当东西方向为绿灯，此道车辆通行；南北方向为红灯，南北道车辆禁止通过。时间为80秒。东西方向车流大通行时间长。

（4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全的畅通

设在十字路口，分为东西向和南北向，在任一时刻只有一个方向通行，另一方向禁行，持续一定时间，经过短暂的过渡时间，将通行禁行方向对换。交通状态从状态1开始变换，直至状态4然后循环至状态1，周而复始，把这四个状态归纳如下：

（1）东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮，倒计时27秒。此状态下，东西方向禁止通行，南北向允许通行。

（2）东西方向红灯亮，南北方向黄灯闪烁，倒计时3秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。

（3）南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，倒计时27秒。此状态下，东西方向允许通行，南北方向禁止通行。

（4）南北方向红灯亮，东西方向黄灯闪烁，倒计时3秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。东西南北四个路口均有红绿黄3灯和数码显示管2个，在任一个路口，遇红灯禁止通行，转绿灯允许通行，之后黄灯亮警告行止状态将变换。状态及红绿灯状态如下表2.2所示。说明：0表示灭，1表示亮。

表2-2交通灯状态及红绿灯状态

2.2  软硬件平台介绍

2.2.1 at89s51芯片介绍

选用的at89s51与同系列的at89c51在功能上有明显的提高，最突出是的可以实现在线的编程。用于实现系统的总的控制。其主要功能列举如下：

1、为一般控制应用的 8 位单片机

2、晶片内部具有时钟振荡器（传统最高工作频率可至 33mhz）

3、内部程式存储器（rom）为 4kb

4、内部数据存储器（ram）为 128b

5、外部程序存储器可扩充至64kb

6、外部数据存储器可扩充至64kb 

7、32 条双向输入输出线，且每条均可以单独做 i/o 的控制

8、5 个中断向量源

9、2 组独立的 16 位定时器

10、1 个全双工串行通信端口

11、8751 及 8752 单芯片具有数据保密的功能

12、单芯片提供位逻辑运算指令

2.2.2 at89s51各引脚功能介绍：

at89c51为双列直插式封装的51单片机芯片，有40个引脚，其引脚功能分类如图所示：

图 2-3 at89s51单片机引脚图

vcc：atat89s51 电源正端输入，接+5v。

vss：电源地端。

xtal1：单芯片系统时钟的反向放大器输入端。

xtal2：系统时钟的反向放大器输出端，一般在设计上只要在xtal1 和 xtal2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两个引脚与地之间加入一个 20pf 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。

reset：at89s51的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，at89s51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000h处开始读入程序代码而执行程序。

ea/vpp："ea"为英文"external access"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部eprom中）来执行程序。因此在8031及8032中，ea引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部eprom时，可以利用此引脚来输入21v的烧录高压（vpp）。

ale/prog：ale是英文address latch enable"的缩写，表示地址锁存器启用信号。

atat89s51可以利用这个引脚来触发外部的8位锁存器（如74ls373），将端口0的地址总线（a0～a7）锁进锁存器中，因为atat89s51是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时ale引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。psen：此为"program store enable"的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（ea=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到eprom的oe脚。atat89s51可以利用psen及rd引脚分别启用存在外部的ram与eprom，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64k的定址范围。

port0（p0.0～p0.7）：端口0是一个8位宽的开路电极（open drain）双向输出入端口，共有8个位，p0.0表示位0，p0.1表示位1，依此类推。其他三个i/o端口（p1、p2、p3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，p0在当作i/o用时可以推动8个ls的ttl负载。如果当ea引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），p0就以多工方式提供地址总线（a0～a7）及数据总线（d0～d7）。设计者必须外加一个锁存器将端口0送出的地址锁住成为a0～a7，再配合端口2所送出的a8～a15合成一组完整的16位地址总线，而定位地址到64k的外部存储器空间。

port2（p2.0～p2.7）：端口2是具有内部提升电路的双向i/o端口，每一个引脚可以推动4个ls的，若将端口，此端口便能当成输入端口来。p2除了当作一般i/o端口使用外，若是在atat89s51扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节a8～a15，这个时候p2便不能当作i/o来使用了。port1（p1.0～p1.7）：端口1也是具有内部提升电路的双向i/o端口，其输出缓冲器可以推动4个ls ttl负载，同样地，若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，p1.0又当作定时器2的外部脉冲输入脚，而p1.1可以有t2ex功能，可以做外部中断输入的触发引脚。

port3（p3.0～p3.7）：端口3也具有内部提升电路的双向i/o端口，其输出缓冲器可以推动4个ttl负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。

其引脚分配如下：

p3.0：rxd，串行通信输入。

p3.1：txd，串行通信输出。

p3.2：int0，外部中断0输入。

p3.3：int1，外部中断1输入。

p3.4：t0，计时计数器0输入。

p3.5：t1，计时计数器1输入。

p3.6：wr：外部数据存储器的写入信号。

p3.7：rd，外部数据存储器的读取信号。

2.2.3  proteus的介绍：

proteus软件是由isis和ares两个软件构成，其中isis是一款便捷的电子系统仿真平台软件，ares是一款高级的布线编辑软件。它集成了高级原理布线图、混合模式spice电路仿真、pcb设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计。通过proteus isis软件的vsm(虚拟仿真技术), 用户可以对模拟电路、数字电路、模数混合电路，以及基于微控制器的系统连同所有外围接口电子元器件一起仿真。

图2-4 isis的编辑界面

选择左侧“模式选择工具栏”中的  图标，并选择“对象选择窗口”中的p按钮，就 会出现如图2-5的元器件选择界面：

图2-5元器件库选择界面

在元器件列表框中点击你需要的器件类型（例如：电阻-resistors,单片机芯片-microprocessorics, led-optoelectronics）或在左上角的关键字（keywords）框中输入你需要的器件名称的关键字（如：信号源 - clock, 运放 - ca3140等），就会在图2-5中间的大空白框列出你所需的一系列相关的元件。

第三章 系统模块设计

3.1显示部分电路模块设计

该设计采用如下所示的数码管，分别显示东西和南北灯的剩余时间，左边两位为东西，右边两位为南北。该数码管为共阳接法（0脉冲有效），片选部分接单片机管脚的p2口和数码段显示部分接单片机管脚的p0口，见图3-1所示：

图3-1显示部分电路设计图

3.2时钟部分电路模块设计

时钟电路用于产生mcs-51单片机工作时所必须的时钟控制信号。其内部电路在时钟信号控制下，严格地按时序执行指令进行工作。在执行指令时，cpu首先要到程序存储器中取出需要执行的指令操作码，然后译码，并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定操作。  本设计采用12mhz晶振和两个33pf电容，他们构成一个稳定的自激振荡器。该电容的大小影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。为单片机提供标准时钟。其中两个电容起微调作用， 见图3-2所示：

图3-2时钟部分电路图

3.3按键模块

在此系统中，按键模块是实现各项功能的关键，按键通过电阻与 单片机相连接，可以对单片机进行控制，低电平信号对相应的单片机引脚有效，可使按键的另一端接地。本设计中有夜间模式按键﹑正常模式按键﹑紧急模式按键五个按键，分别对应着相应的子模式，见图3-3所示：

图3-3按键模块电路图

第四章 总结

交通灯控制在交通运输领域有着非常重要的作用。本文完成了基于单片机的交通灯控制系统的设计与模拟。包括通行方案的设计，系统的硬件开发、软件编程与仿真调试等。在论文完成过程中，主要做的工作有： 

（1）确定交通系统具体的通行方案，规定东西向和南北向车辆的行止状态和时间分配，以及要求其他多功能的实现。 

（2）以atmel公司的at89s51单片机为核心进行系统硬件设计，输入量包括：车流量，按键状态和违规检测传感信号；输出控制交通信号灯亮灭状态及时间，以及led数码管倒计时显示。 

（3）在车流量检测系统中采用模糊控制方法，这需要知道被控对象的数学模型，进行清晰化，具体化。因此，必须实施调查确定车流量少，中，多所要求的具体数量，然后经过单片机控制器的相关算法及处理确定红绿灯亮灭时间。

这个毕业设计虽然花费了很多时间，但是我们学会了很多东西，提高了自我学习能力与单独思考能力，这其实也是一种自我锻炼，今天的努力，便是明天的成功。

由于第一次做毕业设计，毕业设计整理的可能不是很完善，如果论文有问题的话希望老师及时指导，在这次毕业设计中，我的学习能力与沟通能力都有一定的提高，并不是我们一定要完美无缺的完成这个工作，其实就是锻炼我们对工作的一种态度，我想这才是我们在做毕业设计得到的最大收获。

致    谢

本论文是在张老师细心指导下完成的。从论文选题到课题难点的解决，都给予了本人悉心地指导。张老师的治学态度、专业造诣和敬业精神都使我收益非浅。老师的工作作风严谨，是一个值得我们学习的老师。在此，我首先向张老师致以衷心的感谢!

在课题完成过程中，还得到了同组同学的帮助，给我提供了很多思路与经验，对我深入理解课题的有关知识与方法起到了重要作用。在此，我对同学们也表示诚挚的谢意，没有他们热心的帮助，我想我现在还不能完成这个论文，最后经过老师不断的细心指导，我也很顺利的完成了本次毕业论文。

最后，衷心感谢在百忙之中抽出时间审阅本论文的老师。

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参考文献

【1】张. 单片微型计算机原理及应用.西安电子科技大学出版社，1998

【2】 余.单片机原理及接口技术.西安电子科技大学出版社,

【3】雷等.微机原理与接口技术.电子工业出版社，1997

【4】吴,等. 单片机原理及应用技术.科学出版社,

【5】韩, 等. 电子技能与eda 技术.暨南大学出版社,

【6】周. 基proteus的电路及单片机系统设计与仿真.航空航天大学出版社,

【7】张.单片微型计算机原理及应用.西安电子科技大学出版社，1998

【8】 李.数字电子技术.重庆大学出版社，1994

【9】胡.模拟电子技术.高等教育出版社，

【10】张.单片机控制实训，机械工业出版社，

【11】胡.单片机原理及其接口技术，清华大学出版社，1996